高壓旋噴減阻孔在超深沉井輔助下沉中的應用

賈 平

(無錫市給排水工程有限責任公司，江蘇無錫214073)

為了提高應急狀態(tài)下無錫市南北聯(lián)網(wǎng)供水的輸水和蓄水能力，更好地應對長江、太湖兩個水源地原水的突發(fā)性變化，保證安全供水。無錫市開創(chuàng)性地建設了一條縱貫南北，連接中橋、雪浪、錫東和錫澄四大凈水廠的輸水管線快速大通道。無錫市安全供水高速通道運河西路DN2400給水管道工程中，過雙河、橡膠河段采用非開挖頂管法施工，該區(qū)段地下障礙物較多且需穿越現(xiàn)有廠房基礎，設計管道頂管中心標高離地面26.1 m，頂管工作井處于無錫市船舶修理廠區(qū)域內(nèi)，其接收井處于無錫市黃巷熱電廠區(qū)域內(nèi)。

1 工程概況

該工程沉井為圓形鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級C30，防滲等級P8。井筒內(nèi)徑為￠13.0m，井筒上部外徑為￠15.4 m，刃腳處外徑為￠15.8 m，壁厚為1.0～1.2 m，制作高度為28 m，下沉深度為30.3 m，屬于國內(nèi)超深供水管道沉井。為了保護周邊廠房和構筑物，對距離頂管工作井2.8 m的周邊，采用￠800鉆孔灌注樁加3層￠800高壓旋噴樁加固井壁土體，其深度為37 m。

沉井施工現(xiàn)場地勢較為開闊平坦，原地面標高為2.3 m，制作底標高為-2.5 m。沉井計劃采用分節(jié)制作3次下沉的施工方法，第1次下沉深度為14 m，第2次下沉深度為21 m，第3次下沉深度為28 m。

2 工程水文地質(zhì)

擬建場地內(nèi)地下水類型屬于第四系松散孔隙潛水及微承壓水，前者賦存于③-1層粉土夾粉質(zhì)粘土和④-1層粉砂夾粉土中，水量和厚度較大，其潛水運動情況不詳，容易在施工時發(fā)生流砂現(xiàn)象。后者主要賦存于⑦層粉土夾粉砂中，水量較大，且該層土中地下水運動情況不詳，水頭壓力不詳。

根據(jù)建設單位提供的巖土工程勘察報告，沉井擬建場地具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度差的工程特性，為工程力學性能不良的地質(zhì)層。沉井底部將座落在⑥層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土上，具體工程地質(zhì)勘察情況見表1。

3 沉井施工計算

3.1 下沉方法確定

沉井施工一般有排水下沉和不排水下沉兩種方法。由于排水下沉施工方便，質(zhì)量易控制[1]，因此該工程沉井采用排水挖土下沉法施工，其主要優(yōu)點如下：

① 由于井內(nèi)無水，作業(yè)人員可以直接觀察井內(nèi)的出土情況，便于根據(jù)井外的測量報告安排挖土與糾偏相結合，從而控制下沉質(zhì)量有保證。

② 排水下沉可減小浮力，沉井速度快，一般速度可達0.5～2.5 m/d，為不排水下沉的2～5倍。

③ 沉井干封底質(zhì)量易保證，成本低效率高。

表1 工程地質(zhì)勘察資料

3.2 計算方法

沉井下沉時，作用在井筒外壁上土的摩阻力及其沿筒高的分布，應根據(jù)當?shù)氐墓こ趟牡刭|(zhì)條件、井筒的外形和施工方法等，通過試驗和對比積累的資料，結合經(jīng)驗予以確定[2]。

3.2.1 摩阻力計算

對于圓筒形沉井，土體作用在沉井上的總摩阻力[2]按式(1)計算：

T=π×D×f×(H-2.5)

(1)

式中D——沉井刃腳外壁直徑，m；

F——刃腳壁單位面積上的摩阻力，kPa；

H——井筒下沉高度，m。

由于沉井穿過五層類別的土層，其井壁總摩阻力按加權平均值計算。

3.2.2 沉井下沉計算

沉井施工中，為保證沉井順利下沉，需考慮沉井的自重能否克服井壁與土體之間的摩阻力以及地基對刃腳的反力。根據(jù)地質(zhì)資料驗算沉井施工階段的下沉系數(shù)，一般要求根據(jù)土層情況，其下沉系數(shù)K≥1.05～1.15，在軟弱土層中宜取低值[2]。沉井按自重下沉設計時，下沉系數(shù)按式(2)計算[3]：

(2)

式中K——下沉系數(shù)；

G——沉井自重，kN；

P——沉井所受的浮力，kN，排水法施工取0；

T——沉井下沉時土的總摩阻力，kN。

3.3 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)報告，土體作用在沉井外壁單位面積上的摩阻力見表2。

表2 土體作用在沉井外壁單位面積上的摩阻力

3.4 下沉驗算

根據(jù)施工步驟，對沉井各下沉階段進行分別驗算下沉系數(shù)。

3.4.1 下沉第一階段

即井筒14 m沉井，根據(jù)設計圖紙，沉井自重G等于沉井壁自重與十字底梁自重之和?；炷林囟劝?5 kN/m3考慮，計算得到沉井自重G=19 867 kN。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，刃腳底部在③-1粉土夾粉質(zhì)粘土層上，距離③-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土頂板2.2 m，下沉后刃腳進入⑤粉質(zhì)粘土夾粘土0.5 m，摩阻力T=16 016 kN。

計算得到下沉系數(shù)K=1.24>1.05，滿足自重下沉要求。

3.4.2 下沉第二階段

即井筒21 m沉井，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告和設計圖紙，計算得到沉井自重G=27 560 kN，總摩阻力T=32 264 kN。

計算得到下沉系數(shù)K=0.85<1.05，不能滿足自重下沉要求，需要配重或減阻，配重≥6 317 kN。

3.4.3 下沉第三階段

即井筒28 m沉井，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告及設計圖紙，沉井自重G=35 253 kN，總摩阻力T=41 587 kN。

計算得到下沉系數(shù)K=0.84<1.05，不能滿足自重下沉要求，需要配重或減阻，配重≥8 413 kN。

4 沉井輔助下沉

4.1 施工方案的比選分析

根據(jù)沉井下沉計算，由于沉井下沉深度較大，土體作用在沉井外壁上的摩阻力較大，下沉第二階段和第三階段有一定難度，因此必須通過輔助下沉的方法予以解決。

4.1.1 配重下沉

即在井底十字加強梁和井頂加鋼軌鐵件及沙袋等重物，增加下沉重量。該方案工藝比較簡單成熟，對土的擾動和原有構筑物的影響較小，但配重量必須在沉井結構受力允許范圍內(nèi)，而地層摩阻力沒有變化，幫助下沉有一定限度。對于配重不大的輔助下沉，可優(yōu)先選用該方法。

4.1.2 泥漿套下沉

即在沉井外壁與周圍土層之間設置一層泥漿隔離層，依靠觸變泥漿的潤滑作用，達到大大減少土層對井壁的摩阻力的目的[4]。該方案對減小沉井外壁的摩阻力效果比較明顯，下沉也更為容易。但泥漿在通過粉砂層或孔隙較大的土層時，容易造成泥漿流失或分布不均勻而使整個潤滑體系失效。同時若遇到井筒偏斜等產(chǎn)生不均衡土壓，易擠壓泥漿套通道，導致觸變泥漿通路堵塞，從而嚴重影響泥漿減阻成效。

4.1.3 射水輔助下沉

該方法在沉井井璧外，利用高壓管射出的水將井璧附近密實的土沖散，同時水沿井璧上升成為潤滑劑，減少井璧下沉摩擦力。該方法僅適用于砂和砂類土，不適用于透水性差、粘稠度高的粘土層[4]。

4.1.4 空氣幕下沉

該助沉方法在井璧外埋置噴氣管向外噴射壓縮空氣，擾動附近的土壤，降低土層的摩阻力，促使沉井順利下沉，比較適合不排水法下沉沉井施工。

4.2 助沉方案的試驗

各種常用沉井助沉方法的方案和措施都有其特點，在一定條件下均可使用。該工程由于施工人員工作失誤，在制作鋼筋混凝土沉井時未預埋采取助沉方案的輔助設施。因此，該助沉方案的試驗受到一定的限制。

根據(jù)工程勘察報告和現(xiàn)場客觀條件情況，擬在沉井下沉第二階段過程中主要采用配重下沉法，在井底十字加強梁和井頂加鋼軌、鋼筋和沙袋等重物，增大下沉重量；在沉井下沉最后第三階段過程中，選用配重下沉和泥漿減阻相配合的助沉方案。

在實際施工時，沉井下沉第一階段：由于下沉系數(shù)完全滿足自重下沉要求，該階段首次下沉比較順利，符合預期效果。沉井下沉第二階段：在井底十字加強梁和井頂鋼軌上，根據(jù)下沉情況分批、均勻放置捆綁牢固的鋼筋，當配重物逐步增加到6 370 kN下沉重量時，沉井下沉達到這一階段預定標高。沉井下沉第三階段：在沉井外壁周圍均布鉆12個￠100注漿孔，其深度與刃腳標高一致，分別對稱注入觸變泥漿，同時根據(jù)下沉情況分批、均勻、逐步增加配重。當配重增加到7 874 kN時，沉井始終停滯不下。

4.3 原因分析與對策

4.3.1 沉井第三階段下沉困難的原因

① 井筒再次澆筑時，模板表面粗糙或原有的水泥砂漿等雜物未清潔干凈，或局部漏刷隔離劑，造成井筒外壁表面坑洼不平、不光滑，使井壁與土的摩阻力增大。

② 中間停歇時間過長，沉井周圍土層緊裹鋼筋混凝土井壁，不利于順利下沉。

③ 沉井外壁灌入的黃砂較少或被擠壓破壞，經(jīng)排水后井外壁易形成膠結密實的土層，依靠后期注入的觸變泥漿，無法在沉井外壁周圍與土層之間形成泥漿隔離層。

由于配重下沉受到沉井結構受力允許范圍和現(xiàn)場條件限制，為保證沉井順利下沉，因此只能依靠減小沉井下沉阻力的方法來解決。

4.3.2 采用復合助沉方案

根據(jù)現(xiàn)場客觀情況，利用高壓旋噴樁施工的作業(yè)原理，通過注漿管下部的二重噴嘴旋噴出高壓水和壓縮空氣，在20～30 MPa噴射水壓和外圈環(huán)繞氣流的共同作用下，對沉井周圍土層進行強力切割擾動，并使緊裹井外壁的部分土體液化，促使摩阻力大幅度減小，從而協(xié)助沉井繼續(xù)下沉。

為防止單一旋噴氣水減阻助沉發(fā)生超沉現(xiàn)象，決定采取旋噴減阻孔與配重下沉相結合的復合助沉方法。該工法可根據(jù)下沉情況隨時調(diào)節(jié)配重量，靈活機動，從而確保最終下沉至設計標高。

當沉井下沉至設計標高后，為保證沉井穩(wěn)定，將沉井旋噴減阻孔采用高壓旋噴樁加固處理，其旋噴樁水泥采用強度等級不低于42.5級的普通硅酸鹽水泥，最小水泥摻量為25%，建議摻量為30%。

5 高壓旋噴減阻與配重復合助沉

根據(jù)沉井下沉驗算，沉井第三階段自重為35 253 kN，總摩阻力為41 587 kN，為使沉井順利下沉，總摩阻力需要減少16%以上。因此，為防止發(fā)生超沉現(xiàn)象，僅對沉井周圍約12%的土進行減摩降阻處理，不足部分通過配重增加外力來助沉。

5.1 旋噴減阻孔設計

高壓旋噴減阻孔對稱布設在沉井外壁圓周邊，以沉井中心為圓心，在半徑為16.8 m的圓周上均布8根樁孔，樁徑為800 mm，深度超過刃腳底標高0.3 m。高壓旋噴減阻孔平面布置見圖1。

圖1 高壓旋噴減阻孔平面布置

采用二重管法施工，其工藝參數(shù)：噴射有效直徑￠800，旋噴提升速度150 mm/min，噴射水壓28 MPa，流量140 L/min；空壓氣壓力0.6～0.8 MPa，流量3 m3/min。為防止沉井傾斜，采用2套設備同時對稱施工。

5.2 旋噴工藝與技術要求

5.2.1 施工工藝流程

施工準備—布孔放樣—鉆機就位—噴射試驗—下沉旋噴—提升旋噴。

5.2.2 旋噴技術要求

① 放樣定位

必須按照設計孔位進行放線定位，孔位偏差≤50 mm。

② 鉆機就位

鉆機對準孔位后，采用水平尺校準平整度，垂直控制度≤1%。作業(yè)過程中應時常檢查垂直度，發(fā)現(xiàn)斜偏必須及時糾正。

③ 噴射試驗

旋噴之前應進行地面低壓試噴，噴嘴內(nèi)無任何雜物，管道接頭密封良好。同時檢查高壓水氣設備和相應的管道系統(tǒng)，保證壓力、流量等重要指標均能滿足設定要求。

④ 噴射作業(yè)

將二重管鉆具落至孔位后，2套高壓旋噴樁設備應對稱、同時施工。

⑤ 下沉旋噴

采用清水旋噴作業(yè)，鉆進深度至刃腳底標高以下0.3 m時，需座噴1 min，然后以設定的轉(zhuǎn)速和提升速度緩慢向上旋噴。

⑥ 提升旋噴

嚴格控制提升速度、旋噴壓力和流量等技術指標，若出現(xiàn)壓力波動和冒漿異常等情況，必須馬上查明原因，并采取相應的措施。

5.3 配重復合助沉及效果

在高壓旋噴減阻孔完成后，根據(jù)沉井下沉情況，在井底十字加強梁和井頂鋼軌上分批、均勻放置配重鋼筋，保持沉井緩慢下沉，加強下沉測量及糾偏工作。主要措施具體如下：

① 在沉井壁頂部均設4處沉降觀測點，配重做到分批、均勻且穩(wěn)步加載，嚴格控制沉井均勻下沉，隨時糾偏。每1 h測量一次下沉量和傾斜度，當發(fā)現(xiàn)沉井有較大偏差時，應采取立即調(diào)整挖土方法、配重方位等措施進行糾正。

② 時刻掌握臨界挖深、井底出土范圍、深度、井內(nèi)水位控制等施工參數(shù)，確保控制實況和沉井穩(wěn)定。

③ 下沉至設計標高2 m左右時，應加強沉井下沉觀測，做到每30 min測量一次。若發(fā)現(xiàn)下沉過快，迅速、均勻減少配重量，嚴防產(chǎn)生不均勻沉降和突沉等現(xiàn)象。

④ 當下沉至設計標高時，立即撤除配重物，同時將沉井旋噴減阻孔采用高壓旋噴樁加固處理，防止發(fā)生超沉現(xiàn)象。

當配重量逐漸增加到6 370 kN時，沉井下沉已達到設計標高，其中保留50～100 mm的預沉量。當沉井趨于穩(wěn)定后，迅速挖除井筒內(nèi)的余土，而后采用C20素混凝土封底，并澆筑C30鋼筋混凝土底板。

6 結論

① 工程施工實踐證明，在沉井下沉困難時，采用二重管高壓旋噴樁機，通過在沉井外壁旋噴高壓水和壓縮空氣，對沉井周圍的土層進行強力切割、擾動，促使緊裹井外壁的土體液化，從而使土層對沉井下沉的摩阻力大幅度減小，探索了一條沉井輔助下沉的新思路。

② 采用單一的助沉法，由于巖土體性質(zhì)的復雜性、多變性和各種計算模型的局限性[5]，一般難以正確計算并控制到位。應用旋噴減阻孔與配重下沉相結合的復合助沉方法，靈活機動，精準度高，便于控制，安全、穩(wěn)定性好，適用范圍廣，具有一定的推廣意義。